《粉体工程》配套教学课件

粉体工程课程总纲一、课程的性质

二、教学和课堂要求三、考核方式四、教材与参考书一、课程的性质《粉体工程》是材料类专业选修课。共2个学分，考试科目。本课程介绍主要超微粉体的特性、超微粉体的制备，包括固相合成、液相合成和气相合成等等，超微粉体的分散与表面处理以及超微粉体的表征。二、教学和课堂要求本课程主要有以下两个目标：

①掌握超微粉体的基本知识，拓宽知识结构；

②提高实践能力。

三、考核方式

平时考核与考试成绩相结合，成绩满分100分。1.平时成绩占10％，主要考核作业情况和出勤。2.实验成绩占30%，实验成绩由实验教师根据预习报告、实验过程表现、实验报告等给出。3.卷面成绩占60％，考察对本课程的掌握程度和应用能力。四、教材与参考书教材《粉体工程》，蒋阳，陶珍东主编，武汉理工大学出版社主要参考书《超微粉体加工技术与应用》，郑水林编著，化学工业出版社，2005《粉体工程与设备》，陶珍东，郑少华主编，化学工业出版社，2003《粉体技术导论》，陆厚根编著，同济大学出版社，1998《超微粉体制备与应用技术》，张立德主编，中国石化出版社，2001《颗粒分散科学与技术》，任俊，沈健，卢寿慈著，化学工业出版社，2005SchoolofMaterialsScienceandEngineering7颗粒粉体颗粒及粉体Fineparticle——颗粒：从个体颗粒出发，称为颗粒学。Powder——粉体：从集合粉体出发，称为粉体工程学。绪论粉体的定义

常态下以较细的粉粒状态存在的物料，又称为粉体物料，简称粉体，是大量颗粒的集合体。粒径范围：几个纳米～几十毫米SchoolofMaterialsScienceandEngineering9研究粉体的目的

1、提高工业产品的质量与控制水平水泥、药品、颜料颗粒大小、复印机墨粉等。2、节能降耗球磨机的有效利用率仅为2-5%，95%以上都浪废掉，通过粉碎机理研究，可改进粉碎工艺、降低能耗。3、新材料的研究与开发超硬、超强、超导、超纯、超塑等新型材料的研发。SchoolofMaterialsScienceandEngineering10SchoolofMaterialsScienceandEngineering11

Akindoftechnologyandscienceemphasesthecharacterizationandpreparationofpowder,andpowder-handingoperation.

即：粉末检测，粉末制备，粉体加工过程单元操作。粉体工程是一门新兴的边缘学科，在材料、冶金、矿业、化工、建材、建筑、食品、医药、能源电子、炼油及环境工程等工业中都有广泛的应用。粉体工程（PowderEngineering）制备方法分类：总体上可以分为两大类一类是机械粉碎法，通过机械力的作用使颗粒由大变小，进而微细化来制备粉体，即自上而下（topdown）法。另一类是合成法，通过化学反应或相变，经历晶核形成和生长两个过程形成固体粒子来制备粉体，即自下而上（bottomup）法。SchoolofMaterialsScienceandEngineering13

粉末尺度（粒径与粒径分布、形状、比表面积）粉体特性（流动性、粘性、堆积特性、压缩性、成形性）粉末物理与化学性质（光、电、磁、催化特性）纳米粉末电镜照片针状SiC粉末检测球形铜粉超细铁粉SchoolofMaterialsScienceandEngineering14粉末制备—装置等离子体化学反应装置球形ZrO2粉末SchoolofMaterialsScienceandEngineering15粉体加工过程单元操作粉碎－分级－收尘粉碎－收尘1.1.3粉体制备技术与现代产业发展①结构陶瓷与功能陶瓷 ②催化材料③涂层材料

④环保材料⑤能源材料 ⑥生物材料中国统计年鉴（1999）中有关粉体工业的部分行业年产值SchoolofMaterialsScienceandEngineering17粉体工程涉及的领域矿业资源：无机矿物资源陶瓷材料：氧化铝、氧化锆陶瓷化学工业：催化剂冶金工业：粉末冶金材料、耐火材料电子材料：集成电路基板军事领域：固体推进剂机械工业：磨料、润滑剂矿物晶体氧化铝陶瓷高导热性BeO陶瓷铁基粉末冶金制品双面孔Al2O3基板高温电路基板东风21洲际导弹－两级固体推进航天飞机①结构陶瓷与功能陶瓷

陶瓷材料作为材料的三大支柱之一，在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。但是，由于传统陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差，加工困难和能耗大，因而使其应用受到了较大的限制。结构陶瓷：用于工程功能陶瓷：具有特殊性能纳米陶瓷

随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，希望以此来克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有象金属一样的柔韧性和可加工性。英国材料学家Cahn指出纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。

纳米陶瓷轴承（NCB）的风扇：耐高温，纳米级的粒子润滑剂性能好，寿命成倍延长。防止温度过高而卡住轴心的现象。陶瓷磨球陶瓷光纤套筒陶瓷刀具陶瓷表壳及表带②催化材料催化是纳米超微粒子在化学化工领域应用的一个重要领域。利用纳米粒子的高比表面积与高活性可以显著增加催化效率，国际上已把纳米催化剂作为第四代催化剂进行研究和开发。纳米超微粒子在燃料化学，催化化学中起着十分重要的作用。

在乙烯加氢转变为乙烷的反应中，当加入超细的铂颗粒作催化剂时，反应温度可从600℃减低至20℃（室温），对工业生产降低能耗具有重大的经济效益。③涂层材料将超微粉与表面技术结合起来，形成表面复合涂层。根据超微粉体涂层的组成可分为三类：单一超微粉体涂层体系两种或两种以上超微粉体涂层体系添加超微粉体的涂层体系按用途可以分为两类结构涂层：高强、高硬和耐磨涂层功能涂层：热学涂层、电学涂层、光学涂层、磁学涂层、催化敏感涂层超微粉体和纳米涂层广泛用于航空航天飞行器的防护涂层、微波滤波和吸波涂层、紫外线防护涂层和“隐身”涂层。“隐身”涂层

为什么超微粒子特别是纳米粒子对红外和电磁波有隐身作用？纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，对这种波的透过率强纳米材料的表面积大，对红外和电磁波的吸收率比较大（减弱电磁波反射回雷达）纳米陶瓷隔热汽车膜内部清晰明亮、隔热率70%、可见透光率25%、紫外线隔透率99%。

第五代

纳米陶瓷真空磁控溅射技术陶瓷膜产生于21世纪初，陶瓷膜具有分离效率高、效果稳定、化学稳定性好、耐酸碱、耐有机溶剂、耐菌、耐高温、抗污染、机械强度高、膜再生性能好、分离过程简单、能耗低、操作维护简便、膜使用寿命长等众多优势。对GPS信号无任何屏蔽作用。

目前陶瓷膜主要有：澳嘉陶瓷膜，琥珀陶瓷膜.

目前最好的膜的生产技术是真空磁控溅射，这种膜没有任何污染不会散发甲醛和苯等有害物质，不会褪色，对信号有微弱的屏蔽作用。

/subview/1092893/1092893.htm是金属膜的更高级一级的处理，它是把金属膜中的金属进行了处理，把金属的这种特性进行了特殊处理，它们已经失去了屏蔽信号的这种作用。④环保材料空气净化大气污染一直是各国政府需要解决的难题，空气中超标的二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)和氮氧化物（NOC）是影响人类健康的有害气体，工业生产中使用的汽油、柴油以及作为汽车燃料的汽油、柴油等，由于含有硫的化合物在燃烧时会产生SO2气体，这是SO2的最大污染源。所以石油提炼工业中有一道脱硫工艺以降低其硫的含量。纳米钛酸钴(CoTiO3)是一种非常好的石油脱硫催化剂。以55-70nm的钛酸钴作为催化活体，以多孔硅胶或Al2O3陶瓷作为载体的催化剂，其催化效率极高。经它催化的石油中硫的含量小于0.01％，达到国际标准。污水处理污水中通常含有有毒有害物质、悬浮物、泥沙、铁锈、异味污染物、细菌病毒等。污水治理就是将这些物质从水中去除。由于传统的水处理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题，污水治理一直得不到很好解决。纳米技术的发展和应用很可能彻底解决这一难题。污水中的贵金属是对人体极其有害的物质。它从污水中流失，也是资源的浪费。新的一种纳米技术可以将污水中的贵金属如金、钌、钯、铂等完全提炼出来，变害为宝。“体外肾脏”先将污水中悬浮物完全吸附并沉淀下来，使水中不含悬浮物；然后采用纳米磁性物质、纤维和活性炭的净化装置，除去水中的铁锈、泥沙以及异味等污染物；再经过带有纳米孔径的特殊水处理膜，将水中的细菌、病毒100％去除，得到高质量的纯净水，完全可以饮用。这是因为细菌、病毒的直径比纳米大，在通过纳米孔径的膜时，就会被过滤掉，水分子及水分子直径以下的矿物质、元素则保留下来。该技术在医学领域血透中已开始应用，有“体外肾脏”之称。肝、肾功能衰竭者饮用这种水后，会大大减轻肝、肾脏的负担。⑤能源材料氢是自然界中最普遍的元素，资源无穷无尽－不存在枯竭问题氢的热值高，燃烧产物是水——零排放，无污染，可循环利用氢能的利用途径多——燃烧放热或电化学发电氢的储运方式多——气体、液体、固体或化合物氢能的利用，主要包括两个方面：一、制氢工艺二、储氢方法单壁纳米碳管束TEM照片多壁纳米碳管TEM照片碳纳米管（CNTs）1991年日本NEC公司Iijima教授发现CNTs纳米碳管储氢-美学者Dillon1997首开先河按5人座的轿车行使500公里计算，需要3.1Kg的氢气，以正常的油箱体积计算，氢气的存储密度应有6.5wt%，目前的储氢材料都不能满足这一要求。

碳纳米管由于其管道结构及多壁碳管之间的类石墨层空隙，使其成为最有潜力的储氢材料，国外学者证明在室温和不到1bar的压力下，单壁碳管可以吸附氢气5-10wt%。

根据理论推算和近期反复验证，普遍认为碳纳米管的可逆储/放氢量在5wt%左右，即使5wt%，也是迄今为止最好的储氢材料。燃料电池燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。固体电解质是这类高温燃料电池的核心部分。目前正在发展利用固体电解质纳米粉末涂覆在多孔电极材料的表面形成薄膜。SOFC（固体氧化物燃料电池）图示电解质阳极或燃料极阴极或空气极单电池由阳极、阴极和固体氧化物电解质组成，阳极为燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。⑥生物材料依靠纳米技术很容易把药物直接送到肺、心、肝、肾和大脑中去，能轻易进入皮肤，穿越血管，可是，这些“伟大能力”治病救人却又很让人担心，因为它对人体的破坏性也同样巨大。举例普通防晒霜靠加入二氧化钛阻挡紫外线的辐射。二氧化钛在很多物质中存在，包括白色的油漆，因为它的反光度强，化学反应度低。二氧化钛在纳米尺度下颜色出现异变，由一般的白色变成透明，由二氧化钛纳米颗粒制作的防晒霜也是透明的，它挡住紫外光却允许其他光进入。但一项科学研究指出，二氧化钛纳米微粒可以进入皮肤甚至细胞，并在细胞内产生自由基，破坏原有的基因。基因芯片基因芯片就是典型的纳米技术与基因生物学结合的产物，人们通过基因芯片能迅速查出自己基因密码中的缺陷，并利用纳米技术对错误基因进行修正。可以治愈各种遗传缺陷疾病和肿瘤的一天来到的时候，可怕的社会问题也许会随之而来。举例科学家用显微操作技术移动果蝇染色体的基因，结果培育出了比正常果蝇多长了一个胸脯和翅膀的果蝇。科学家已经可以通过基因操作把果蝇的眼睛搬到不该有眼的地方，把翅膀搬到不该长翅膀的地方。由此不难想像若用纳米技术操纵生物基因会制造出什么样的“怪物”来。其他超微粉还在涂料、润滑剂、功能纤维、纸品等等领域也有应用。1.2研究目的与主要研究内容研究目的①提高工业产品的质量与控制水平：控制粉体颗粒的大小、形状及分布等。②节能降耗，促进粉体加工技术的发展：通过对粉碎过程和机理的研究，如何改进原有设备或者设计新型的粉体加工设备，最大限度地提高粉磨效率。化学法制粉一般成本较昂贵，如何找到更好更有效的方法、工艺等③新材料的研究与开发：使材料颗粒细化至纳米级，或与其它物质形成掺杂，或形成复合材料以满足不同领域的要求。一些工业产品对颗粒形状的要求研究内容超微粉体的制备方法与原理、工艺与设备超微粉体的分散、表面处理原理、方法超微粉体的性能检测和表征方法1.3粉体制备技术的发展趋势发展生产效率高、成本低、可控性好（颗粒尺寸、化学组成、晶形、表面形貌、缺陷、粗糙度等）、分散性好、产品质量稳定的粉体加工工艺和设备制定相应的产品标准和规范的性能检测与评价方法46

向生命科学、环境保护、信息工程领域延伸粉体的微细化与功能化粉体的深加工与装备现代化肿瘤靶向识别粉体功能化示意喷射气流粉碎设备粉体工程发展趋势高温电路基板铁基粉末冶金制品47我国粉体工业的特点与差距

丰富的原材料与市场较大规模的产量品种单一、性质不稳定，特别是不能满足高端市场的要求。目录1.1粉末颗粒的粒径与形状1.1.1

单个颗粒的粒径1.1.2粉体的粒径分布1.1.3颗粒的形状1.2粉末粒径的测量1.3粉末体的性质1.1粉末颗粒的粒径与形状粒子是指粉体中不能再分离的运动单位。但习惯上，将≤100μm的粒子叫“粉”，＞100μm的粒子叫“粒”。通常说的“粉末”、“粉粒”或“粒子”都属于粉体学的研究范畴。几个概念晶粒：单一晶体，晶粒内部物质均匀，单相，无晶界和气孔存在。一级粒子：单一结晶粒子。二级粒子：一级粒子的聚结体。①由范德华力、静电力等弱结合力的作用而发生的不规则絮凝物②由粘合剂的强结合力的作用聚集在一起的聚结物均属于二级粒子。1.1.1

单个颗粒的粒径（1）几何学粒子径（2）投影径（3）球当量直径（4）筛分径（5）有效径（1）几何学粒子径

根据几何学尺寸定义的粒子径。一般用显微镜法、筛分法等测定。近年来计算机的发展对几何学粒子径的测定带来很大方便，测定快速、准确结果。对规则的颗粒，其粒度可由某一尺寸来表示；对不规则的颗粒，其粒度按某些性质推导而得。规则颗粒不规则颗粒的粒度三轴径：在一水平面上，将一颗粒以最大稳定度放置于每边与其相切的长方体中，用该长方体的长度l、宽度b、高度h定义的粒度平均值。三轴径的平均值计算公式序号计算式名称意义1二轴平均径显微镜下出现的颗粒基本大小的投影2三轴平均径算术平均3三轴调和平均径与颗粒比表面积相关，与外接长方体表面相同的球体直径4二轴几何平均径接近于颗粒投影面积的度量5三轴等表面积平均径与外接长方体表面积相同的立方体的边长（2）投影径投影径：颗粒以最大稳定性置于一平面上，由此按其投影的大小定义的粒径。Ferret径费雷特（Feret）径：与颗粒投影相切的两条平行线之间的距离，又称为定向径。Martin径马丁（Martin）径：在一定方向上将颗粒投影面积分为两等份的直径，又称为定向等分径。定方向最大径定向最大直径：在一定方向上颗粒投影的最大长度。投影面积圆相当径投影面积相当径：与颗粒投影面积相当的圆的直径，又称为当量直径。（3）球当量直径球当量直径：亦称球相当径。体积直径dV：亦称等体积（球）相当径，是指与颗粒等相同体积的球的直径；面积直径dS：亦称等表面积（球）相当径，是指与颗粒等表面积的球的直径；面积体积直径dSV：亦称等比表面积（球）相当径，是指与颗粒等比表面积的球的直径；（4）筛分径筛分径又称为细孔通过相当径。当粒子通过粗筛网且被截留在细筛网上时，粗细筛孔直径的算术或几何平均值称为筛分径，记作DA。算术平均值：几何平均值：在以上两式中：a—粒子通过的粗筛网直径，b—截留粒子的细筛网直径。（5）有效径有效径是亦称为沉降速度相当径或牛顿径，指与颗粒具有相同密度且在同样介质中具有相同自由沉降速度的直径液。该粒径可根据Stock’s方程计算得到，因此又称Stock’s径，记作DStk。1.1.2粉体的粒径分布粉体多是由粒径不等的粒子群组成的，存在着粒度分布（particlesizedistribution）问题。粒度分布可用简单的表格、绘图和函数等形式表示。一般常用频率粒度分布或累积粒度分布来表示粉体的粒度分布状态。频率粒度分布频率粒度分布(frequencysizedistribution)表示各个粒径相对应的粒子占全粒子群中的百分含量（微分型）；频率（用f表示）：在粉体样品中，某一粒度大小（用DP表示）或某一粒度大小范围内（用DP表示）的颗粒（与之相对应的颗粒个数为nP）在样品中（与之对应的颗粒总数为N）所占的百分数可写成 f=(nP/N)×100%频率也可以用颗粒的质量百分数来表示。实例设用显微镜观察N为300个颗粒的粉体样品。经测定，最小颗粒的直径为1.5m，最大颗粒为12.2m。将被测定出来的颗粒按由小到大的顺序以适当的区间加以分组，组数（要适当）用h表示，取h为12。区间的范围称为组距，用DP表示，取DP＝1m。每一个区间的中点，称为组中值，用di表示。落在每一区间的颗粒数除以N，便是频率f。将测量的数据加以整理，如下表所示：组数h的选取当组数h取值过小，则数据的准确性降低；h的取值过大，则数据的处理过程又过于冗长）。颗粒大小的频率分布频率分布的等组距直方图及分布曲线图称为直方图。第一个直方图的底边长就是组距DP，高度为频率，底边的中点为组中值di

将直方图回归成一条光滑的曲线，便形成频率分布曲线。工程上常用分布曲线的形式来表示粒度分布。累积粒度分布累积粒度分布(cumulativesizedistribution)表示小于（或大于）某粒径的粒子占全粒子群中的百分含量（积分型）。一种是按粒径从小到大进行累积，称为筛下累积，表示小于某一粒径的颗粒百分数，以D(DP)表示。另一种是按粒径从大到小累积，称为筛上累积，表示大于某一粒径的颗粒百分数，以R(DP)表示。筛下累积和筛上累积的关系：D(DP)+R(DP)＝100% D(Dmin)＝0D(Dmax)＝100% R(Dmin)＝100%R(Dmax)＝0颗粒大小的累积分布累积分布的曲线形式借助累积分布和频率曲线可以方便地分析粉体中的粒度分布情况。频率分布曲线——平均粒度平均粒度是指颗粒出现最多的粒度值，即频率分布曲线中峰值对应的颗粒尺寸。D平均累积分布曲线——中位径d50、d90、d10分别是指累积分布曲线上占颗粒总量50%、90%及10%所对应的粒子直径。其中d50是为中位径。D50平均粒径设颗粒群由粒径为d1,d2,d3,…,dn的集合体组成；相对应的颗粒个数为n1,n2,n3,…,nn，总个数N＝∑ni。假设颗粒为立方体，密度为。那么，该颗粒群的某些物理特征可用数学函数的形式表示：颗粒群的总长∑(nd)；颗粒群的总表面积∑(6nd2)；颗粒群的总体积∑(nd3)；颗粒群的总质量∑(nd3)；颗粒群的比表面积∑(6nd2)/∑(nd3)实例1

设颗粒群由粒径为d1,d2,d3,…,dn的颗粒组成，每种颗粒的个数分别为n1,n2,n3,…,nn，试由颗粒总长相等这一特性推导其平均粒径颗粒群的总长可表示成：

n1d1+n2d2+n3d3+…+nndn＝∑(nd)将全部颗粒视为粒径为D的均一颗粒，则总长为n1D+n2D+n3D+…+nnD＝D∑n得 D＝∑(nd)/∑n实例2（自学）

若颗粒群的质量为m1,m2,m3,…,mn，试由比表面积的定义函数求平均粒径？设颗粒群由粒径为d1,d2,d3,…,dn的集合体组成，每种颗粒的个数为n1,n2,n3,…,nn，密度为，则n1=m1/(d13),n2=m2/(d23),n3=m3/(d33),…,nn=mn/(dn3)颗粒群的比表面积为：(n16d12+n26d22+n36d32+…+nn6dn2)/(n1d13+n2d23++n3d33+…+nndn3)=∑[6m/(d)]/∑m将全部颗粒视为粒径为D的均一颗粒，则比表面积为∑(6m/D)/∑m=6/(D)，由∑[6m/(d)]/∑m=6/(D)，得D=∑m/∑(m/d)测定量和定义函数相对应的平均粒径粒度分布的函数表示正态分布的分布函数可用下述数学式表示：式中，为平均粒径，为分布的标准偏差正态分布是数理统计学中最重要的分布定律之一。但在粉体粒度的研究中，正态分布应用得较少，真正服从正态分布的粉体并不多。正态分布的频率分布曲线对数正态分布许多粉体物料的粒度分布曲线都具有右歪斜形状。如果在横坐标轴上不是采用粒径DP，而是采用粒径DP的对数，这时分布曲线便具有对称性，这种分布称为对数正态分布。

粉体颗粒的右歪斜频率分布曲线横坐标取对数后变为对数正态分布曲线1.1.3颗粒的形状颗粒形状定义：一个颗粒的轮廓边界或表面上各点所构成的图象。形状千差万别（规则或不规则）直接影响粉体其他性质（流动性、填充性等）所以工程中，不同的使用目的要求颗粒的形状不同，颗粒的形状因形成过程不同而不同。颗粒形状的定义对各种颗粒的形状需要定量加以描述：形状指数（详细介绍）形状系数

粗糙度系数形状指数定义：表示单一颗粒外形的几何量的各种无因次组合称为形状指数（即理想形状与实际形状比较时，差异的指数化）。均齐度体积充满度面积充满度球形度圆形度常用的形状指数均齐度颗粒三轴径b、l、h之间的差异，它们之间的比值可导出：当b=l=h时，即为立方体，上述两指数均为1。长短度＝长径/短径扁平度＝短径/高度体积充满度（容积系数）fv颗粒的外接直方体体积与颗粒体积Vp之比：

(≥1)

其倒数可看作颗粒接近直方体的程度，极限值为1，一般用于磨料颗粒抗碎裂研究。球形度表示颗粒接近球体的程度对于形状不规则的颗粒，采用实用球形度：球形度常用于颗粒的流动性的讨论中与颗粒体积相等的球体的表面积颗粒的实际表面积与颗粒投影面积相等的圆的直径颗粒投影的最小外接圆的直径圆形度（轮廓比）表示颗粒的投影与圆接近的程度与颗粒的投影面积相等的圆的周长颗粒投影面的周长形状系数（自学）定义：表示颗粒群性质和具体物理现象、单元过程等函数关系时，把与颗粒形状有关的诸因素概括为一个修正系数加以考虑，该系数称形状系数。衡量实际颗粒形状与球形颗粒不一致程度的比较尺度。几种常见形状系数（1）表面积形状系数（2）体积形状系数颗粒表面积（平均粒径）2(>1)颗粒的体积（平均粒径）3（3）比表面积形状系数（4）Carman形状系数表面积形状系数体积形状系数（>1）(≤1)1.2粉末粒径的测量粒径的测定方法与适用范围

测定方法粒子径

(μm)

测定方法粒子径(μm)

光学显微镜0.5~

电子显微镜0.001~

筛分法40~

沉降法0.5~200

库尔特计数法1~600

气体透过法1~100

氮气吸附法0.03~1①显微镜法（microscopicmethod）

显微镜法是将粒子放在显微镜下，根据投影像测得粒径的方法，主要测定几何粒径。光学显微镜可以测定微米级的粒径，电子显微镜可以测定纳米级的粒径。测定时应避免粒子间的重叠，以免产生测定的误差。主要测定以个数、面积为基准的粒度分布。②库尔特计数法（coultercountermethod）将粒子群混悬于电解质溶液中，隔壁上设有一个细孔，孔两侧各有电极，电极间有一定电压，当粒子通过细孔时，粒子容积排除孔内电解质而电阻发生改变。利用电阻与粒子的体积成正比的关系将电信号换算成粒径，以测定粒径与其分布。测得的是等体积球相当径，粒径分布以个数或体积为基准。③沉降法（sedimentationmethod）是液相中混悬的粒子在重力场中恒速沉降时，根据Stocks方程求出粒径的方法。Stocks方程适用于100μm以下的粒径的测定，测得的粒径分布是以重量为基准的。④比表面积法（specificsurfaceareamethod）是利用粉体的比表面积随粒径的减少而迅速增加的原理，通过粉体层中比表面积的信息与粒径的关系求得平均粒径的方法。可测定100μm的粒子，但不能测定粒度分布。⑤筛分法（sievingmethod）是应用最广的测量方法。常用的测定范围在45μm以上。方法：将筛子由粗到细按筛号顺序上下排列，将一定量粉体样品置于最上层中，振动一定时间，称量各个筛号上的粉体重量，求得各筛号上的不同粒径重量百分数，获得以重量为基准的筛分粒径分布及平均粒径。筛号与筛号尺寸：筛号常用“目”表示。“目”系指在筛面的25.4mm（1英寸）长度上开有的孔数。如开有30个孔，称30目筛，孔径大小是24.5mm/30再减去筛绳的直径。所用筛绳的直径不同，筛孔大小也不同。因此必须注明筛孔尺寸。1.3粉末体的性质1.3.1粉体的堆积性质1.3.2粉体的摩擦性质1.3.3粉体压缩性与成形性1.3.1粉体的堆积性质单个固体颗粒的集合体称为颗粒群或粉体层。单元生产过程中常见的成型坯体、料仓中的粉料等均是粉体层。粉体层(填充层)中的颗粒(填充物)以某种空间排列组合形式构成一定的堆积状态，并表现出诸如空隙率、容积密度、填充物的存在形态、空隙的分布状态等堆积性质。空隙率：填充在粉体层中未被颗粒占据的空间体积与包含空间在内的整个填充层表观体积之比。填充层表观体积颗粒所占实体积空隙体积填充率孔隙率和空隙率的区别空隙率：颗粒体积不包括颗粒的外孔（内外相通）孔隙率：颗粒体积不包括内外孔（内部封闭孔）空隙率和颗粒群的堆积状态有关系颗粒的堆积状态①等径球形颗粒的规则排列②异径球形颗粒的填充③非球形颗粒的随机填充①等径球形颗粒的规则排列正方排列层单斜方排列层平面基本排列形式配位数：与一个球相接触的球数称为配位数。随着排列变形程度增加，空隙率将减少，配位数将增加。②异径球形颗粒的填充在等径球形颗粒规则排列的空隙中，填充进较小的球形颗粒，将获得填充率更高的堆积③非球形颗粒的随机填充在重力下，容器中颗粒填充的空隙率随容器直径减少和颗粒层高度增加而变大随着球形度的增加，空隙率减少颗粒表面粗糙度的增加使空隙率增大细颗粒的粘结作用将形成松填充粗细颗粒比例改变将影响空隙率振动的频率和振幅影响粉体层的空隙率密度真密度：颗粒质量除以不包括内外孔在内的颗粒真体积表观密度：颗粒质量除以不包括外孔在内的颗粒体积容积密度：颗粒质量除以填充容器的体积振实密度：颗粒质量除以振动后颗粒的表观体积颗粒密度：颗粒质量除以包括内外孔在内的颗粒的表观体积容积密度又称松密度，指在一定填充状态下，包括颗粒间全部空隙在内的整个填充层单位体积中的颗粒质量。它与颗粒物料的密度、空隙率的关系如下：颗粒物料的密度空隙率真密度表观密度颗粒密度容积密度1.3.2粉体的摩擦性质摩擦性质是指粉体中固体粒子之间以及粒子与固体边界表面因摩擦而产生的——些特殊的物理现象，以及由此表现出的一些特殊的力学性质。粉体的静止堆积状态、流动特性，粉粒料的堆放、贮存、移动(包括加料、卸料与运箔)、压缩等，都将涉及摩擦性质。表示该性质的物理量是摩擦角(或摩擦系数)。常用的摩擦角有休止角、内摩擦角、壁摩擦角和滑动角。休止角（堆积角、安息角）定义：是指粉体自然堆积时的自由表面在静止平衡状态下与水平面所形成的最大角度。休止角越小，摩擦力越小，流动性越好。用途：用来衡量评价粉体的流动性。内摩擦角定义：当对粉体施以水平剪切力（F）将粉体层沿内部某一断面（A），刚好切断产生滑动时，作用于此面的剪切应力τ与垂直应力满足：WF为内摩擦系数，内摩擦角内摩擦力主要是由于层中粒子相互啮合产生粉体的活动局限性主要是由于其内部粒子间存在内摩擦力所导致。滑动角

将载有粉体的平板逐渐倾斜，粉体开始滑动时，平板与水平面的夹角即为滑动角（应用在粉体分级分离）1.3.3粉体压缩性与成形性粉体具有压缩成形性，陶瓷片的制备过程就是将陶瓷粉末或颗粒压缩成具有一定形状和大小的坚固聚集体的过程。压缩性（compressibility）：表示粉体在压力下体积减少的能力；成形性（compactibility）：表示物料紧密结合成一定形状的能力。粉体的压缩特性的研究主要通过施加压力带来的一系列变化得到信息。为什么物料能成形并保持一定强度？几种说法①压缩后粒子间的距离很近，从而在粒子间产生范德华力、静电力等吸引力；②粒子在受压时产生的塑性变形使粒子间的接触面积增大；③粒子受压破碎而产生的新生表面有较大的表面自由能；④粒子在受压变形时相互嵌合而产生的机械结合力；⑤物料在压缩过程中由于摩擦力而产生热，特别是颗粒间支撑点处局部温度较高，使熔点较低的物料部分地熔融，解除压力后重新固化而在粒子间形成“固体桥”；⑥水溶性成分在粒子的接触点处析出结晶而形成“固体桥”等。目录3.1表面效应3.2小尺寸效应3.3量子效应超微粉体特性超微粉体材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性，如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电，原来绝缘的二氧化硅、晶体等，在某一纳米级界限时开始导电。这是由于超微粉体材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点，以及其特有的三大效应：表面效应小尺寸效应量子效应3.1表面效应表面效应(surfaceeffect)是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着粒子尺寸的减小而大幅度的增加，粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子物理、化学性质的变化。100纳米10纳米1纳米0.1纳米随着尺寸的减小，比表面积迅速增大

纳米粒子的表面原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子有所不同，存在许多悬空键，具有不饱和性质，因而极易与其他原子相结合而趋于稳定，具有很高的化学活性。①比表面积的增加②表面原子数的增加③表面能材料表面的悬空键①比表面积的增加比表面积(specificarea)常用总表面积与质量或总体积的比值表示。质量比表面积、体积比表面积。(G代表质量)(V代表颗粒的体积)当颗粒细化时，粒子逐渐减小时，总表面积急剧增大，比表面积相应的也急剧加大。如：把边长为1cm的立方体逐渐分割减小的立方体，总表面积将明显增加。边长立方体数每面面积总表面积1cm10-5cm(100nm)10-6cm(10nm)10-7cm(1nm)11015101810211cm210-8cm210-12cm210-14cm26cm26×105cm26×106cm26×107cm2这样高的比表面，使处于表面的原子数越来越多，同时表面能迅速增加。②表面原子数的增加由于粒子尺寸减小时，表面积增大，使处于表面的原子数也急剧增加。表面原子数占全部原子数的比例和粒径之间的关系③表面能由于表层原子的状态与本体中不同。表面原子配位不足，因而具有较高的表面能。如果把一个原子或分子从内部移到界面，或者说增大表面积，就必须克服体系内部分子之间的吸引力而对体系做功。颗粒细化时，表面积增大，需要对其做功，所做的功部分转化为表面能储存在体系中。因此，颗粒细化时，体系的表面能增加了。准固体超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的，若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒（直径为2*10-3微米）进行电视摄像，实时观察发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状（如立方八面体，十面体等），它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾”状态，尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微颗粒具有稳定的结构状态。由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合(表面吸附，为了降低表面能)。例如金属的纳米颗粒在空气中会迅速氧化燃烧，甚至爆炸；无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应。表面效应的主要影响1、表面化学反应活性(可参与反应)。2、催化活性。3、纳米材料的（不）稳定性。4、铁磁质的居里温度降低。5、熔点降低。6、烧结温度降低。7、晶化温度降低。8、纳米材料的超塑性和超延展性。9、介电材料的高介电常数（界面极化）。10、吸收光谱的红移现象。3.2小尺寸效应随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。质变①特殊的光学性质：消光性②特殊的热学性质：熔点降低③特殊的磁学性质：高矫顽力④特殊的力学性质：高强度、高韧性

①特殊的光学性质黄金是什么颜色？当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全消光。太阳黑体金属微粒的色彩往往不同于大块材料，当金属微粒的尺寸小于一定值时，由于光波的全吸收通常呈现黑色。对太阳光谱似乎具有全吸收性质，因此通常又称为“太阳黑体”。应用太阳光中的紫外线是导致灼伤、间接色素沉积和皮肤癌的主要根源，灼伤主要表现皮肤出现红斑，严重者还可能伴有水肿、水疱、脱皮、发烧和恶心的症状。长期作用于皮肤可造成皮肤弹性降低、皮肤粗糙和皱纹增多等光老化现象，纳米氧化锌能够吸收紫外线，同时对可见光的吸收较少，近年来在防晒化妆品中得到广泛应用。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。②特殊的热学性质固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。例如，金的常规熔点为1064℃，当颗粒尺寸减小到10纳米尺寸时，则降低27℃，2纳米尺寸时的熔点仅为327℃左右；银的常规熔点为670℃，而超微银颗粒的熔点可低于100℃。应用因此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超细银粉浆料，可使膜厚均匀，覆盖面积大，既省料又具高质量。超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力。例如，在钨颗粒中附加0.1％～0.5％重量比的超微镍颗粒后，可使烧结温度从3000℃降低到1200～1300℃，以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。③特殊的磁学性质

人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的细菌依靠它游向营养丰富的水底。通过电子显微镜的研究表明，在趋磁细菌体内通常含有直径约为2*10-2微米的磁性氧化物颗粒。

磁性纳米材料的特性不同于常规的磁性材料，其原因是关联与磁相关的特征物理长度恰好处于纳米量级，例如：磁单畴尺寸，超顺磁性临界尺寸电子平均自由路程当磁性体的尺寸与这些特征物理长度相当时，就会呈现反常的磁学性质。应用利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。④特殊的力学性质陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍。至于金属-陶瓷等复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分宽广。美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。碳纳米管1991年日本NEC公司饭岛等发现纳米碳管，立刻引起了许多科技领域的科学家们极大关注。

具有极好的可弯折性具有极好的可扭曲性碳纳米管的强度比钢高100多倍，这是目前可制备出的具有最高比强度的材料，而比重却只有钢的1/6；同时碳纳米管还具有极高的韧性，十分柔软。它被认为是未来的“超级纤维”，是复合材料中极好的加强材料。应用在如高尔夫球杆、网球、羽毛球拍的制造。3.3量子效应各种元素的原子具有特定的光谱线，如钠原子具有黄色的光谱线。原子模型与量子力学已用能级的概念进行了合理的解释，由无数的原子构成固体时，单独原子的能级就并合成能带，由于电子数目很多，能带中能级的间距很小，因此可以看作是连续的。量子尺寸效应从能带理论出发成功地解释了大块金属、半导体、绝缘体之间的联系与区别，对介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒而言，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应。应用导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现。因此，对超微颗粒在低温条件下必须考虑量子效应，原有宏观规律已不再成立。量子隧道效应经典物理学认为，物体越过势垒，有一阈值能量；粒子能量小于此能量则不能越过，大于此能量则可以越过。例如骑自行车过小坡，先用力骑，如果坡很低，不蹬自行车也能靠惯性过去。如果坡很高，不蹬自行车，车到一半就停住，然后退回去。量子力学则认为，即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒子能过去，好像有一个隧道，故名隧道效应（quantumtunneling）。电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。隧道效应示意图量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。应用在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在0．25微米。目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。其它效应化学和催化性质电学性质磁电阻性质溶液性质粉体制备方法液相法沉淀法水热法溶胶－凝胶法冷冻干燥法喷雾法共沉淀法化合物沉淀法水解沉淀法

气相法气体冷凝法氢电弧等离子体法溅射法真空沉积法加热蒸发法混合等离子体法化学气相反应法气相分解法气相合成法气－固反应法物理气相法固相法机械粉碎法干式粉碎湿式粉碎热分解法其它方法固相反应法目录4.1机械粉碎法4.1.1基本理论4.1.2破碎4.1.3粉磨4.1.4超细粉碎设备4.2固相合成法4.2.1热分解法4.2.2高温固相反应法4.2.3还原反应法4.1机械粉碎法机械粉碎法是应用机械力对固体物料进行粉碎，粉碎机械作业，使之变为小块、细粉或粉末的方法。机械粉碎法包括球磨机、砂磨机、气流磨等等。特点①工艺简单、产量大、成本低②产品的粒度范围较宽③存在研磨介质和磨机内衬对物料的“污染”问题。④长时间的机械能作用导致物料发生一定程度的机械力化学反应。4.1.1基本理论粉碎原理与分类粉碎方式(5)粉碎模型(3)粉碎过程机理粉碎所需的能耗或能耗规律(4)粉碎机械力化学粉碎原理粉碎：固体物料在外力的作用下，克服内聚力，从而使颗粒尺寸减小，比表面积增大的过程称为粉碎。包括：①破碎：使大块物料碎裂成小块物料的加工过程。②粉磨：使小块物料碎裂成细粉末状颗粒的加工过程。相应的机械设备分别称为破碎机械和粉磨机械。分类粉碎方式(a)压碎：利用粉碎设备的工作部件对物料施加挤压作用，物料在压力作用下发生粉碎。(b)击碎：包括高速运动的粉碎体对被粉碎物料的冲击和高速运动的物料向固定壁或靶的冲击等。每次冲击碰撞的粉碎时间是在瞬间完成的，所以粉碎体与被粉碎物料的动量交换非常迅速。(c)磨剥：为剪切摩擦粉碎，包括研磨介质对物料的粉碎和物料相互间的摩擦作用。(d)弯折：受弯曲作用而粉碎(e)劈碎：受劈力作用而粉碎可见机械作用力可以分为挤压、冲（打）击、剪切摩擦等等。粉碎模型Hüting等人提出了以下三种粉碎模型：体积粉碎模型 表面粉碎模型 均一粉碎模型

粉碎产物的粒度分布有所不同：体积粉碎后的粒度分布较集中，而表面粉碎后的细粉较多，粒度分布范围较宽。被粉碎物料的基本物性①硬度②脆性和韧性③强度④易碎（磨）性①硬度

硬度是指的是抵抗其他物体刻划或压入其表面的能力。也可理解为在固体表面产生局部变形所需的能量。硬度的大小与物料内部的化学键以及晶体结构有关。无机材料常用莫氏硬度或维氏硬度表示。典型矿物的莫氏硬度值

硬度越大，耐磨性越好。硬度作为间接评价指标，在一定程度上体现了物料粉碎的难易程度。②脆性和韧性脆性反映了物料抵抗冲击力大小的特性，韧性则反映了物抵抗断裂阻力的特性。脆性材料抵抗动载荷或冲击的能力较差。韧性材料的抗拉和抗冲击性能较好，而抗压性能较差。③强度

强度指的是物料对外力的抵抗能力，通常以物料破坏时单位面积上所受的力来表示，单位为N/m2或Pa。物料强度的高低在一定程度上体现了其粉碎的难易程度。按材料内部的均匀性和是否有缺陷分为理论强度和实际（测）强度。①理论强度不含任何缺陷的完全均质材料的强度称为理论强度。它相当于原子、离子或分子间的结合力。理论强度的计算式：th=(E/a)1/2，其中为表面能，E为弹性模量，a为晶格常数。②实际（测）强度物料的实际（测）强度往往远低于理论强度。

=(2E/c)1/2，其中c为裂纹半长。实际（测）强度还与测定条件（如试样的尺寸、加载速率及所处环境等）有关。④易碎（磨）性

易碎（磨）性指的是在一定粉碎条件下，将单位质量物料从一定粒度粉碎至某一指定粒度所需的能量，或施加一定能量使物料达到的粉碎细度。这是为了表征物料粉碎难易程度的综合影响，一般用相对易碎性系数来表示。易碎性系数越大，物料越易粉碎。

采用同一粉碎机械，在相同物料尺寸变化条件下。某一物料的易碎系数Km：Km=Eb/EEb：粉碎标准物料的单位电耗E：粉碎干燥状态下的某一物料的单位电耗易碎系数愈大，愈容易粉碎。粉碎过程机理在粉碎过程中，如果施加的力超过了物料强度极限（临界粉碎应力），则物料就破裂；如果施加的力没有超过物料强度极限，则物料被压缩作弹性形变，撤去施加力后物料将保持原有形状而未被粉碎。临界粉碎应力与弹性模量和表面能及晶格中原子之间的距离有关：继续施加原来的力到大块物料会使原来未被粉碎的大块颗粒破裂成较小的颗粒吗？会。因为这时内部生成了若干裂缝或原有裂缝扩展，产生许多强度薄弱面；或在局部应力集中，这时继续施加的力的大小即使没有增加也会使原来未被粉碎的大块颗粒破裂成较小的颗粒。继续施加外力，小颗粒数目增加，但其粒度减小很少。这是因为粒度较小时内部的强度薄弱面逐渐减少，受力后往往不破裂。三个阶段固体物料的超微粉碎一般随着粉碎时间的延长，要经过三个阶段：①初始阶段：系统晶格能的变化主要是表面能的增加：②粉碎速率趋缓阶段：颗粒之间有相互作用，但主要作用是较弱的范德华力。③团聚阶段：颗粒之间有较强的甚至是不可逆的相互作用。“逆粉碎现象”物料在超细粉碎过程中，随着粉碎时间的延长，颗粒粒度的减小，比表面积的增加，颗粒的表面能增大，颗粒之间的相互作用增强，团聚现象增加，达到一定时间后，颗粒的粉碎与团聚达到平衡。粉碎团聚这各种粉碎存在最低粒度下限的主要原因。打破以上平衡,可采取的一个重要方法就是加入助磨剂（在超细粉碎过程中，能够显著提高粉碎效率或降低能耗的化学物质称为助磨剂。）例如：A：在干法研磨水泥熟料时加入乙二醇作为助磨剂，产率可提高25～50％；B：在湿法球磨锆英石时加入0.2％的三乙醇胺，研磨时间减少3/4。

粉碎能耗规律

关于粉碎所需的能耗或能耗规律，19世纪末和20世纪许多科技工作者进行了大量的研究，其中最著名的是：①雷廷格尔（Rittinger）定律②基克（Kick）定律③邦德（Bond）定律④R.L.Charles定律（通式）①雷廷格尔定律雷廷格尔定律提出粉碎物料所消耗的能量与粉碎过程中新增加的表面积成正比：E=K1△SE：粉碎能耗△S：粉碎前后所增加的表面积K1：比例系数对于球形颗粒，假设破碎前物料尺寸为x1，个数为n1，破碎后物料尺寸为x2，个数为n2，物料密度为，质量为m，则破碎前后其比表面积分别为：物料表面积的增加为：所消耗的粉碎能量为：雷廷格尔定律（能耗与尺寸的关系）表面积假说只考虑了新生成表面的能量消耗，只能近似的用于细磨作业粉碎功耗计算。②基克定律提出相同重量，相似物体粉碎时所需的能量只与粉碎比有关。认为粉碎能耗与颗粒体积变化正比。并从一个颗粒每破碎一次粒度减小一半，每次的破碎能耗相等这一假说出发，得出：D：给料的平均粒径d：产物的平均粒径③邦德定律1952年，邦德在分析“表面积假说”和“体积假说”适用范围的基础上，从实验出发提出了所谓的“裂纹扩展说”，提出粉碎物料所需要的有效功与生成碎粒的直径的平方根成反比。出发点：物料破碎是由于能量在裂纹附近集中，能耗与形成裂纹的长度成正比，而对于形状相似的颗粒单位体积内裂纹长度与颗粒的直径平方根成反比。④R.L.Charles定律1957年，R.L.Charles提出了一个基于粒度减小的能耗微分式：E为粉碎能量，x为粒径，n为常数。上式是粉碎过程中粒径与功耗关系的通式。当分别以n=1、1.5、2代入分别为基克、邦德定律和雷廷格尔定律适用范围据芬兰R.T.Hukky等人的验证研究：基克学说适用于产物粒度大于50mm的粉碎邦德学说适用于产物粒度为50~0.5mm的粉碎雷廷格尔学说适用于产物粒度为0.5~0.075mm原因超微粉粉碎作业中，外加的机械能不仅仅用于颗粒粒度的减小或比表面积的增大，还有颗粒因强烈和长时间机械力作用导致的机械化学变化以及机械传动、研磨介质之间的摩擦、振动等消耗。粉碎机械力化学固体物质在各种形式的机械力作用下所诱发的化学变化和物理化学变化称为机械力化学效应。粉碎机械力化学作用①粉碎平衡粉碎过程中颗粒微细化过程与微细颗粒的团聚过程达到平衡。与工作条件、物料的物理化学性质有关，是相对的、有条件的。粉碎平衡后继续进行粉碎，尽管粉体的尺寸不变，但晶体结构不断破坏，反应活性及烧结性会提高。②晶格畸变在机械力的作用下，物料的晶格发生畸变，有序结构被破坏，形成非晶体，发生无定形化。晶格畸变常导致物料的密度发生变化，同时使物料的反应活性提高。③晶型转变由于机械力的反复作用，晶格内积聚的能量不断增加，使结构中某些结合键发生断裂并重新排列形成新的结合键。④化学变化脱水效应、固相反应等。粉碎机械力化学的应用①机械力化学改性：通过粉碎、摩擦等机械方法对粉体进行表面处理，有目的地改变其表面的物理化学性质，使其晶格结构及晶型发生变化，内能增大，增强表面活性，以满足不同工艺的要求。②机械力化学制备纳米金属、非晶态金属及合金机械力化学法制备新型材料。③制备纳米陶瓷、功能材料、纳米复合材料等。④机械力化学在水泥、混凝土生产中的应用、助磨剂的应用、硅酸盐矿物的合成等。高能球磨制备ZnSe纳米晶粉体

将相同摩尔比的Zn粉和Se粉放在球磨罐(WC)中，选用球石直径为10mm，原料：球石＝1：20，干磨，在氮气保护下，球磨60min即可获得纯立方闪锌矿结构，避免了ZnO相的出现。晶粒的尺寸用Scherrer公式计算为5nm，用TEM直接观察的尺寸为10nm左右。车俊,姚熹,姜海青,汪敏强,《稀有金属材料与工程》-20064.1.2

破碎破碎机械分为两类：①挤压式颚式破碎机圆锥破碎机辊式破碎机

②冲击式锤式破碎机反击式破碎机颚式破碎机

俗称“老虎口”，是破碎硬物料最有效的设备。物料在颚式破碎机中的破碎是在两块颚板之间进行的。适合粗碎大块坚硬或磨蚀性很强的物料。构造简单，价格低廉，维护方便。工作原理

破碎机的可动颚板绕悬挂轴或可动轴对固定颚板作周期性地靠近和离开运动。当可动颚板靠近固定颚板时，位于两颚板间的物料受以挤压为主的作用力而破碎；当可动颚板离开固定颚板时，已破碎的物料在重力作用下由破碎机排料口排出。类型及构造

目前广泛应用的颚式破碎机有：①简单摆动颚式破碎机②复杂摆动颚式破碎机简单摆动颚式破碎机

活动颚板以悬挂轴为支点作往复摆动，其运动行程以活动颚板的底部，即卸料口处为最大。复杂摆动颚式破碎机

活动颚板悬挂在偏心轴上，而活动颚板的底部则支撑在推力板上。当偏心轴转动时，活动颚板在其带动下作上下、左右的复杂的运动，故称复杂摆动式。

颚式破碎机的规格用进料口的宽度和长度(B×Lmm)表示，如PEF600×900颚式破碎机，表示进料口宽度为600mm，长度为900mm的复杂摆动式颚式破碎机。其中P为破碎，E为颚式，F为复杂，J为简单。主要参数①钳角②偏心轴转速①钳角颚式破碎机活动颚板与固定颚板之间的夹角α称为钳角。减小钳角可增加破碎机的生产能力，但会导致破碎比减小；反之，增大钳角虽可增大破碎比，但会降低生产能力，同时，落在颚腔中的物料不易夹牢，有被推出机外的危险。因此破碎机的钳角应有一定的范围。钳角的大小可通过物料的受力分析来确定。设夹在颚腔内的球形物料的质量为G，由G产生的重力比物料所受的破碎力小得多，可忽略不计。在颚板与物料接触处，颚板对物料的作用力为P1和P2，二者均与颚板垂直。由此二力所导致的摩擦力为fP1和fP2，方向向下，其中f为物料与颚板之间的摩擦系数。

当物料被夹牢在颚腔内不被推出机外时，上面几个力互相平衡，在X、Y方向上的分力之和分别为零，即X轴：P1–P2cos–fP2sin=0Y轴：–fP1–fP2cos+P2sin=0整理得：–2fcos+(1-f2)sin=0或 tan=2f/(1-f2)摩擦系数一般为0.2～0.3，则钳角最大值为22～33②偏心轴转速

颚式破碎机偏心轴的转速直接反映活动颚板的摆动次数。在一定范围内，偏心轴的转速增加，生产能力随之增加；但是超过一定限度时，反而会使生产能力降低，并且电耗增加。经理论推导，偏心轴的转速应为n：偏心轴的转速，r／min；s：活动颚板下端水平行程，cm；a：钳角圆锥破碎机

圆锥破碎机破碎比大、效率高、能耗低，产品粒度均匀，适合中碎和细碎各种矿石，岩石。外锥体是固定的，内锥体被安装在偏心轴套里的立轴带动作偏心回转，物料在两锥体之间受到压力和弯曲力的作用而破碎。

工作原理按用途分粗碎的圆锥式破碎机（旋回式破碎机）中细碎的圆锥式破碎机（菌形圆锥式破碎机）类型及构造旋回式破碎机正置倒置菌形圆锥式破碎机动锥制成菌形，在卸料口附近，动定锥之间有一段距离相等的平行带，以保证卸出物料的粒度均匀。

正置正置辊式破碎机锤式破碎机

锤式破碎机是利用高速回转锤子的打击作用而进行破碎的。工作时，铰接的锤头高速回转，对给入的大块物料进行打击，并使其抛向机体内壁的承击板上，在承击板上物料进一步冲击破碎后，落到下面的蓖条上，粒度合格的产物从篦条缝隙中排出，蓖条上的物料继续被锤头打击、挤压或研磨，直至全部透过篦条为止。反击式破碎机

反击式破碎机也是利用冲击作用进行破碎的。工作时，转子高速旋转，物料由给料口经过筛板与细粒分离后，大块进入破碎腔，受到锤头的冲击，遭到第一次破碎，并以很大的速度抛向反击板再次破碎，然后又从反击板弹回到锤头打击区，继续重复上述过程。优点①利用冲击进行破碎，使物料沿脆弱面破开，破碎效率高，能耗小，处理能力大，产品粒度均匀。②破碎比大。③具有选择性破碎的特点。④结构简单，制造方便。4.1.3粉磨

粉磨在玻璃、陶瓷制品和水泥制造过程中都占有一定地位。尤其是在水泥水泥生产中占有非常重要的地位，无论是生料还是水泥，都要通过粉磨来获得，每生产1t水泥，需要粉磨各种物料3t左右，电耗约为100～110kw·h，其60%～70%的电能消耗在粉磨中。粉磨设备一般常见的有慢速磨和快速磨慢速磨：球磨机、自磨磨机等。快速磨：辊式磨、振动磨、气流磨、行星磨硅酸盐工业中以球磨(包括棒磨)应用最多辊磨机（又称立磨）在新型干法水泥生产线上大量采用。①球磨机②振动磨③辊磨机④气流粉碎机①球磨机定义：在研磨介质产生的冲击力和研磨力的联合作用下物料被粉碎成微细颗粒的过程。主要工作部件：回转圆筒、研磨介质、衬板作用：研磨体对物料的冲击和研磨球磨机的分类1、按所装研磨介质球磨机棒磨机砾石磨2、按筒体的形状分短磨机：L/D<2长磨机：L/D=4~7圆锥形磨机3、按卸料方式分尾卸式磨机中卸式磨机周边卸料式磨机4、按传动方式分中心传动边缘传动规格

球磨机的规格以磨机筒体直径(m)乘以长度(m)表示。

2.2m×7m球磨机含义是：普通球磨机，筒体直径为2.2m，筒体长度为7m。

球磨机优点

①物料适应性强，能适应各种性质物料的粉磨；可制成规格大小不同的磨机因而能适应各种生产能力、生产规模的需要。②粉碎比大，可达300以上，能将入磨粒径为25-40mm的物料粉磨到1.5-0.07mm以下，并且细度比较稳定和容易调节，产品粒度均匀，混合作用亦好。③生产适应性强，可在各种不同情况下作业，能干法生产，也可湿法生产，可以间歇或连续操作，还可把干燥和粉磨合在一起同时进行。④结构简单、坚固，操作可靠，维护管理方便，能长期连续运转。⑤有很好的密闭装置，可防止灰尘飞扬。缺点①粉磨效率低，电耗大，能量利用率低，有效利用率只有1-2%，其余绝大部分转为热能和声能而消耗。②体形笨重，大型磨总重可达几百吨以上，因此一次性投资很大。③磨机转速低（15～30r/min）如用普通电机驱动，需配昂贵的减速装置。④研磨体和衬板的消耗量很大，每吨水泥约耗钢材1kg左右。⑤操作时噪声大。介质运动分析泻落式运动状态球磨机的转速很低向下滚动泻落磨剥作用粉磨效果不佳，生产能力较低。抛落式运动状态

适宜转速呈抛物线轨迹从空间跌落冲击和研磨作用而粉碎粉磨效率高通常球磨机以这种运动状态工作。离心式运动状态

球磨机转速很高，研磨体形成紧贴筒体内壁的一个圆环。对物料不产生任何粉碎作用。球磨机工作参数的确定1.球磨机的转速临界转速、理论适宜转速、转速比、实际工作转速2.粉磨介质的选择及装填量研磨体种类、研磨体材质、磨质填充率、研磨体的级配临界转速nc

当磨机筒体的转速达到某一数值时，研磨体产生的离心力等于它本身的重力，研磨体将紧贴附在筒壁上，随筒体一起回转而不会降落下来，这个转速就称为临界转速。D0：筒体的有效直径筒体内径减去2倍的衬板厚度理论适宜转速nt

使研磨体产生最大冲击粉碎功的磨机转速称为理论适宜转速。研磨体具有最大的降落高度，对物料产生的冲击粉碎功最大。转速比γ

转速比γ是磨机的理论适宜转速与临界转速之比，即：说明：理论适宜转速为临界转速的76％。一般磨机的实际转速为临界转速的65％～80％。实际工作转速n

工作转速的选定，除了应考虑磨机的直径、生产方式、衬板形状、研磨体的填充系数、研磨体的种类外，还要考虑到粉磨物料的性质、入磨物料粒度和粉磨细度等。研磨体种类钢球：球磨机中使用最广泛的一种研磨体，在粉磨过程中与物料发生点接触，应力集中，对物料的冲击力大，使物料容易粉碎，大颗物料用冲击方式粉碎比较有效。

钢段：外形为短圆柱形或截圆锥形介质称段，彼此之间是线接触，接触面积大，研磨磨剥作用强，但冲击力小，所以宜用于细小物料的磨剥方式粉磨。

钢棒：钢棒是棒磨机使用的一种研磨体。湿法磨常用的一种研磨体，棒形介质质量较大，宜于粉碎大块物料，产品粒度均匀。研磨体材质

研磨体的材质要求具有较高的耐磨性和耐冲击性、坚硬、不易破裂。球磨机采用的研磨体常用中碳钢、高碳钢锻制而成，也有用铸钢和铸铁的。为了防止铁质对物料的污染，也常用非金属材料的研磨体，如瓷球、刚玉球、天然燧石等。研磨体以硬度大、比重大的为好。磨质填充率填充率：磨介容积与筒体有效容积的比值筒体截面上介质的填充面积与筒体截面积之比R适宜的填充率与磨机长径比有关，随长径比的减少而增大。短筒球磨机：φ一般为0.4~0.5长磨机：φ为0.25~0.35研磨体的级配级配：研磨体直径的大小及其质量的配合称为研磨体的级配。研磨体级配的意义：级配的优劣直接影响磨机的产量和研磨体的消耗。物料在粉磨过程中，开始块度较大，需用较大直径的钢球冲击破碎。随着块度变小，需用小钢球粉磨物料，以增加对物料的研磨能力。在研磨体装载量不变的情况下，缩小研磨体的尺寸，就能增加研磨体的接触面积，提高研磨能力。②振动磨振动磨是利用研磨介质(球形、柱形或棒形)在振动磨筒体内做高频振动产生冲击、摩擦、剪切等作用，将物料磨细，